乏燃料后處理屏蔽小室地震下安全性能分析

楊 曉

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，石家莊 050021）

在乏燃料后處理設(shè)施中，乏燃料必須在屏蔽手套箱中進(jìn)行各項(xiàng)操作，以對(duì)放射性材料起到輻射防護(hù)的作用，在屏蔽手套箱受到地震載荷的沖擊時(shí)，應(yīng)保持其結(jié)構(gòu)完整性和對(duì)放射性物質(zhì)的密封性［1］。隨著乏燃料產(chǎn)生量的增多，大型商業(yè)后處理-再循環(huán)工廠已開始建設(shè)，后處理設(shè)施也由小型手套箱向大型化的屏蔽小室發(fā)展。對(duì)于屏蔽小室，框架連接點(diǎn)更多，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，其地震載荷下的安全問題至關(guān)重要。1995 年，Miura.S［2］等首次建立全尺寸手套箱模型進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)檢測其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以驗(yàn)證其地震下的安全性。2009年，Y.M.Parulekar等［3］對(duì)小型獨(dú)立手套箱（1 m×1 m×1 m）和通過轉(zhuǎn)運(yùn)通道連接的兩個(gè)小型手套箱進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)架上的振動(dòng)試驗(yàn)，通過檢測振動(dòng)期間手套箱內(nèi)的負(fù)壓值驗(yàn)證手套箱在地震載荷下的密閉性。2010年，Akihiro Matsuda等［4］提出利用千斤頂對(duì)6 m3的小容量乏燃料后處理手套箱的外窗進(jìn)行加壓測試密封性的新概念，并使用Abaqus 中的超彈性模型對(duì)橡膠密封件進(jìn)行變形分析，并驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。2014 年，A.Saraswat 等［5］為了評(píng)估核燃料循環(huán)設(shè)施中手套箱的抗震性能，利用振動(dòng)臺(tái)架對(duì)小型獨(dú)立手套箱進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并利用有限元工具Abaqus 6.10 分析了地震載荷下手套箱的位移和旋轉(zhuǎn)，但沒有進(jìn)行地震激勵(lì)期間結(jié)構(gòu)的密封性分析，因此，鋁板與不銹鋼框架之間、玻璃視窗與不銹鋼框架之間的各種連接被忽略，而將其建模為整體。2015 年，A.Saraswat等［6］又進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證了相連手套箱組的抗震性能。

上述研究主要針對(duì)小型屏蔽手套箱進(jìn)行了地震載荷下的安全性能驗(yàn)證。對(duì)屏蔽小室，我們無法使用抗震臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，因此，有限元模擬成為重要分析手段［7］。本文通過有限元分析方法來驗(yàn)證地震載荷作用下屏蔽小室的密封性問題。

1 工程概況

本文選取后處理廠內(nèi)某4層雙面四工位屏蔽小室，其外形尺寸為3600 mm×900 mm×3500 mm，安全等級(jí)為RC，抗震等級(jí)為DBE，密封等級(jí)為3 級(jí)。本文通過箱體外側(cè)的屏蔽板實(shí)現(xiàn)輻射屏蔽，前板、后板、側(cè)板、頂板與底板之間通過160 個(gè)M10 螺釘連接，構(gòu)成屏蔽小室的外屏蔽體，窺視窗（嵌于屏蔽板）、手套孔蓋、燈蓋和防護(hù)罩通過螺釘與屏蔽板相連。視窗用鋼化玻璃板用56 個(gè)M8 螺釘（8.8 級(jí)）通過法蘭及襯墊固定。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的乏燃料后處理屏蔽小室結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical shielding chamber structure for radioactivity fuel processing facility

屏蔽小室的密封由內(nèi)部不銹鋼箱體（以下簡稱“箱體”）承擔(dān)，箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示。處理乏燃料的工藝設(shè)備架設(shè)在箱內(nèi)框架的筋板上。箱體將支承框架包裹在內(nèi)部，之間通過焊接固定。內(nèi)窺視窗（嵌于箱體）、玻璃板、燈窗、檢修門等均靠螺釘與主體進(jìn)行連接，之間通過襯墊進(jìn)行密封。

圖2 屏蔽小室內(nèi)部箱體及支承框架結(jié)構(gòu)Fig.2 The box body of the shielding chamber and the supporting frame structure

屏蔽小室的材料、規(guī)格及參數(shù)見表1和表2。

表1 屏蔽小室各零部件材料及規(guī)格Table 1 Shielding chamber parts materials and specifications

表2 屏蔽小室材料的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of shielding chamber materials

2 載荷使用條件及限制

大型核電設(shè)備的抗震分析常選取反應(yīng)譜法進(jìn)行［8］。屏蔽小室安裝在廠房1層，分析時(shí)取地面的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為輸入。所在場地50 年超越概率為2%的地表地震動(dòng)水平向加速度峰值為0.29 g。計(jì)算時(shí)，地表地震動(dòng)水平峰值加速度取0.3 g，大于0.29 g。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267—1997），設(shè)備的阻尼比取2%。

反應(yīng)譜參考《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267—1997）4.3節(jié)中的硬土場地的水平向和豎向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。屏蔽小室所在場地為Ⅱ類場地，場地土類別為中硬土。硬土場地標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜所用數(shù)據(jù)包括水平向記錄273 條，豎向記錄130條。該譜系按加速度峰值為1.0 g給出，應(yīng)用時(shí)應(yīng)按采用的設(shè)計(jì)地震震動(dòng)加速度峰值調(diào)整。屏蔽小室驗(yàn)算所用地震加速度反應(yīng)譜的控制點(diǎn)及其譜值見表3。

表3 地震加速度反應(yīng)譜的控制點(diǎn)及其譜值Table 3 Control points and their values of seismic acceleration response spectrum

屏蔽小室在各工況下的載荷組合見表4。載荷考慮設(shè)備自重（Y 方向重力加速度-9.8 m/s2）、工作時(shí)的真空度（-400 Pa）以及地震載荷（反應(yīng)譜）。表中采用B 級(jí)工況的載荷，實(shí)際按D 級(jí)工況載荷考慮，使用限制采用B級(jí)，因此，可以包含D級(jí)工況。

表4 載荷組合Table 4 Load cases

結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)定依據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267—1997）附錄F、ASME Ⅱ強(qiáng)制性附錄2、ASME ⅢNC 分卷和NF 分卷的規(guī)定。構(gòu)件及緊固件在使用限制級(jí)下的應(yīng)力限值分別列于表5～表7中。

表5 屏蔽小室構(gòu)件使用限制和應(yīng)力限值Table 5 Use limits and stress limits for shielded cell members

表6 8.8級(jí)螺釘?shù)氖褂孟拗坪蛻?yīng)力限值Table 6 Restrictions and stress limits for 8.8 screws

表7 A2-70級(jí)螺釘?shù)氖褂孟拗坪蛻?yīng)力限值Table 7 Use limits and stress limits of screws（A2-70）

3 計(jì)算模型分析及參數(shù)選取

3.1 計(jì)算方法

針對(duì)反應(yīng)譜分析，本文首先進(jìn)行模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)在地震頻率范圍內(nèi)的各階固有頻率，然后進(jìn)行頻譜分析，先求得對(duì)應(yīng)各階固有頻率的地震響應(yīng)模態(tài)解，將模態(tài)解合并后得到結(jié)構(gòu)對(duì)地震的總響應(yīng)，最后在后處理中進(jìn)行工況組合，得到包括地震載荷在內(nèi)的各種工況下的應(yīng)力解和位移解。

模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析理論都是基于線性理論假設(shè)的，設(shè)備的模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析也必然是線性的。因此，若分析中包含了接觸問題，分析過程中接觸面的接觸狀態(tài)不允許改變，即模態(tài)分析前接觸部位閉合的點(diǎn)在模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析中始終閉合，模態(tài)分析前接觸部位分離的點(diǎn)在模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析中始終分離［9.10］。

3.2 模型分析

屏蔽小室主體結(jié)構(gòu)及附屬零部件之間采用螺釘連接，螺釘數(shù)量約為3 376個(gè)，接觸部位的數(shù)量也很可觀，同時(shí)，屏蔽小室主體結(jié)構(gòu)尺寸和接觸部位的尺寸差別在2個(gè)數(shù)量級(jí)到3個(gè)數(shù)量級(jí)左右。由于屏蔽小室接觸部位尺寸與主體結(jié)構(gòu)尺寸差別太大，各個(gè)部位的三維模型可以建立，但網(wǎng)格劃分質(zhì)量和最終計(jì)算精度都難以保證，因此，本文必須對(duì)接觸部位和螺釘連接進(jìn)行合理的簡化。

屏蔽小室各連接部位螺釘布置相對(duì)密集，安裝中都有預(yù)緊，從而保證了各個(gè)接觸面的緊密貼合。經(jīng)分析可知，緊密貼合的接觸面在模態(tài)分析及反應(yīng)譜分析中依舊保持貼合。因此，將接觸面間的相對(duì)關(guān)系設(shè)置為綁定，與設(shè)置為摩擦接觸的計(jì)算效果是等同的。計(jì)算過程中，兩個(gè)面之間依舊保持貼合。屏蔽小室安裝完成后，屏蔽小室基礎(chǔ)與廠房基礎(chǔ)形成整體，且由于屏蔽小室尺寸跨度相對(duì)并不大，因此，進(jìn)行單點(diǎn)輸入反應(yīng)譜即可。屏蔽小室對(duì)廠房基礎(chǔ)的影響僅限于屏蔽小室基礎(chǔ)局部，因此，不必與土建結(jié)構(gòu)耦連計(jì)算。進(jìn)風(fēng)裝置和排風(fēng)裝置安裝在剛性基礎(chǔ)上，由于過濾器自身剛性很好，可不參與耦連計(jì)算，與其連接的進(jìn)風(fēng)管或排風(fēng)管端部可視為固定邊界。

3.3 計(jì)算模型

屏蔽小室有限元模型尺寸采用實(shí)際尺寸，有限元模型如圖3所示。屏蔽板的零部件中，屏蔽板以及安裝的窺視窗、手套孔蓋、燈蓋、防護(hù)罩等采用實(shí)體建模，單元為C3D10。箱體的零部件中，支承框架采用實(shí)體建模，單元為C3D10，網(wǎng)格數(shù)為210 935，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為389 092。由于省去了進(jìn)風(fēng)凈化裝置和排風(fēng)凈化裝置的大部分質(zhì)量，模型總質(zhì)量約為17 750 kg。設(shè)底板左下角坐標(biāo)為（0，0，0），坐標(biāo)系如圖3所示，單位為mm，則質(zhì)心坐標(biāo)為（-508，1725，-1983），這與實(shí)體設(shè)備質(zhì)心基本吻合。

圖3 屏蔽小室有限元模型Fig.3 Finite element analysis model of shielded chamber

4 計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

4.1 模態(tài)分析

本文對(duì)第3節(jié)確定的計(jì)算模型進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了屏蔽小室的固有頻率。表8列出了截?cái)囝l率33 Hz前的固有頻率及參與質(zhì)量。相關(guān)振型云圖如圖4～圖9所示。

表8 33 Hz以內(nèi)的固有頻率及參與質(zhì)量Table 8 Natural frequency and participation quality within 33 Hz

圖4 一階振型Fig.4 First fundamental shape

圖5 二階振型Fig.5 Second fundamental shape

圖6 三階振型Fig.6 Third fundamental shape

圖7 四階振型Fig.7 Fourth fundamental shape

圖8 九階振型Fig.8 Ninth fundamental shape

圖9 十階振型Fig.9 Tenth fundamental shape

可以看出，前10 階頻率的有效參與質(zhì)量是有限的。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267—1997）及屏蔽小室的固有頻率分布，振型組合采用完全二次型組合（CQC），地震振動(dòng)3 個(gè)分量引起的反應(yīng)值按平方和的平方根（SRSS）組合。

計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力評(píng)定根據(jù)確定的應(yīng)力限值進(jìn)行。ASME ⅢNC 分卷采用的失效理論為最大剪應(yīng)力理論，應(yīng)力強(qiáng)度定義為最大剪應(yīng)力的兩倍，即Tresca 應(yīng)力。金屬材料的應(yīng)力評(píng)定采用Tresca應(yīng)力。

4.2 箱體強(qiáng)度分析

箱體在各級(jí)使用載荷下的整體應(yīng)力云圖如圖10 所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用載荷下箱體的最大應(yīng)力位于節(jié)點(diǎn)1 245，最大值為27.7 MPa；B級(jí)使用載荷下箱體的最大應(yīng)力位于節(jié)點(diǎn)1 277，最大值為88.8 MPa。上述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的材料為S32168（06Cr18Ni11Ti），本文對(duì)上述兩個(gè)部位路徑進(jìn)行線性化，結(jié)果列于表9中，材料為S32168 的零部件（殼體、支承框架、接管、檢修門等）的強(qiáng)度滿足要求。

圖10 箱體整體應(yīng)力云圖Fig.10 Global stress cloud map of the box

表9 箱體強(qiáng)度評(píng)定Table 9 Cabinet strength assessment

4.3 箱體螺釘?shù)膹?qiáng)度及密封性評(píng)定

螺釘（M8 與M10）的預(yù)緊力約為4 000 N，等級(jí)為A2-70。M8 螺釘小徑為6.647 mm，截面積為34.7 mm2。M10螺栓小徑為8.376 mm，截面積為55.1 mm2。螺釘受力通過截取螺釘固定截面的受力獲得。

箱體前側(cè)自上而下第1層從左向右數(shù)第1個(gè)內(nèi)窺視窗上的螺釘（M8）受力最大。設(shè)計(jì)及A級(jí)使用限制時(shí)，受力為X 方向160.32 N，Y 方向-79.26 N，Z 方向-319.15 N。其中，X 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為4 160.32 N，剪力為328.8 N。B 級(jí)使用限制時(shí)，受力為X 方向-145.45 N，Y 方向-958.21 N，Z 方向-1 000.88 N，其中，X 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為3 854.55 N，剪力為1 385.6 N。

箱體頂部從左向右數(shù)第1 個(gè)燈窗上的螺釘（M8）受力最大。設(shè)計(jì)及A級(jí)使用限制時(shí)，受力為X 方 向-197.4 N，Y 方 向-79.9 N，Z 方 向32.45 N，其中Y方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為4 079.9 N，剪力為200 N。B級(jí)使用限制時(shí)，受力為X方向-683.3 N，Y方向-187.6 N，Z方向-395.9 N，其中Y方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為4 187.6 N，剪力為789.7 N。

箱體下部檢修門上的螺栓（M10） 受力最大。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，受力為X 方向-366.2 N，Y 方向175.57 N，Z 方向66.53 N，其中Z 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X 方向和Y 方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺栓拉力為3 933.5 N，剪力為406 N。B級(jí)使用限制時(shí)，受力為X 方向-1 604 N，Y 方向-1 659.5 N，Z方向-145.2 N，其中Z方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X方向和Y方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺栓拉力為4 145.2 N，剪力為2 308 N。

螺釘?shù)膽?yīng)力評(píng)定見表10，螺釘?shù)念A(yù)緊力滿足要求，同時(shí)，螺釘應(yīng)力小于對(duì)應(yīng)載荷限制下的應(yīng)力限值。由于地震發(fā)生為瞬時(shí)工況，且螺釘未屈服，故而地震結(jié)束后螺釘預(yù)緊力恢復(fù)到正常工況，可以保證密封性。

4.4 屏蔽板連接螺釘?shù)膹?qiáng)度評(píng)定

螺釘（M10與M12）的預(yù)緊力均約為4 000 N，等級(jí)8.8。屏蔽板連接螺釘受力最大的位置為前板與底板連接的螺釘（M10）。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力為X 方向-107.2 N，Y 方向-1 215.3 N，Z 方向-22.2 N，其中，X 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為3 892.8 N，剪力為1 215.2 N。B 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力為X方向5 356 N，Y方向7 958.7 N，Z 方向1 127.6 N，其中X 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y 方向和Z 方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為9 356 N，剪力為8 038 N。

頂部自左向右數(shù)第2 個(gè)燈蓋上螺釘（M10）的受力最大。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力為X方向238.6 N，Y方向313 N，Z方向31 N，其中，Y 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X 方向和Z 方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為4313N，剪力為240.6 N。B級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力為X 方向-4 238 N，Y 方向-5 105.2 N，Z 方向-2 681.8 N，其中Y 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，X方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為1 105.2 N，剪力為5 015.4 N。

表10 箱體螺釘（A2-70）的應(yīng)力評(píng)定Table 10 Stress evaluation of screws（A2-70）

前板上自上而下第3排從左往右數(shù)第2個(gè)窺視窗上的螺釘受力最大。窺視窗與前板的緊固螺釘（M12）主要承受拉力，剪力由屏蔽板承受。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘所受拉力為4 000 N。B 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘所受拉力為3 624.6 N。玻璃板及鋼化玻璃緊定螺釘（A2-70級(jí)M8）承受拉力和剪力。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力為X 方向0.8 N，Y 方向-34.16 N，Z方向-62.5 N，其中X方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y方向和Z方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為4 000.8 N，剪力為71.2 N。B 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘受力（含玻璃引起的橫向力） 為X 方向-332.2 N，Y 方向-954.8 N，Z 方向-1 117 N，其中X 方向?yàn)槔瓚?yīng)力，Y 方向和Z 方向?yàn)榧魬?yīng)力，故螺釘拉力為3 667.8 N，剪力為1 470 N。

前板上自上而下第2排從左往右數(shù)第4個(gè)手套孔蓋上的螺釘（M8）受力最大。手套孔蓋與前板連接螺釘主要承受拉力，剪力由屏蔽板承受。設(shè)計(jì)及A 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘所受拉力為4 000 N。B 級(jí)使用限制時(shí)，螺釘所受拉力為3 097.9 N。

屏蔽板上螺釘?shù)膽?yīng)力評(píng)定見表11，上述部位的螺釘?shù)膹?qiáng)度均滿足要求。由于應(yīng)力均未達(dá)到屈服強(qiáng)度，地震過后螺栓應(yīng)力均將恢復(fù)正常工況。

5 結(jié)論

本文以乏燃料后處理廠某屏蔽小室為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了地震載荷對(duì)屏蔽小室密封安全性的影響。根據(jù)抗震分析要求，本文采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了全面分析，確定了合理的計(jì)算模型、載荷、邊界條件，在ABAQUS中對(duì)設(shè)計(jì)載荷、A級(jí)載荷和B級(jí)載荷（包含D級(jí)載荷）3個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算。具體結(jié)論如下:

（1）本文通過模態(tài)計(jì)算獲得了屏蔽小室的固有頻率，給出了截?cái)囝l率33 Hz前10階的各階振型及有效參與質(zhì)量。根據(jù)固有頻率的分布確定了反應(yīng)譜法中振型組合采用完全二次型組合（CQC），地震振動(dòng)3個(gè)分量引起的反應(yīng)值按平方和的平方根（SRSS）組合。由于有效參與質(zhì)量有限，因此，在反應(yīng)譜分析結(jié)束后需對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜力修正。

（2）本文根據(jù)反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，對(duì)箱體、連接螺釘?shù)冗M(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。結(jié)果表明，其應(yīng)力均小于各級(jí)使用限制下的應(yīng)力限值，強(qiáng)度滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，屏蔽小室整體強(qiáng)度是有保障的，密封邊界螺釘?shù)臍堄囝A(yù)緊力能夠保證密封效果。

表11 屏蔽板上螺釘?shù)膽?yīng)力評(píng)定Table 11 Stress evaluation of screws on shield plate